随钻密度测井在大斜度井水平井中的误差分析

安旅行, 王俊超,2, 朱军, 陈绪涛, 卫一多, 吴天心

(1.中国石油集团测井有限公司随钻测井中心, 陕西 西安 710054;2.西安石油大学电子工程学院, 陕西 西安 710065)

0 引 言

随钻密度测井不同于传统的电缆密度测井,电缆仪器的探头装在极板上并推靠井壁以消除偏离间隙的影响;随钻作业期间钻井液对井壁的冲刷使得井眼形变以及垮塌,钻进中因旋转产生泥浆间隙变化,这几种因素导致测得的数据受到干扰[1-2]。

当泥浆间隙在钻杆旋转过程中发生变化,泥浆间隙对随钻密度测量值产生一定影响。特别是在大斜度井水平井中,钻铤在重力作用下使仪器趋于滑向井眼下侧,在旋转钻进过程中泥浆间隙变化将更为明显[3]。本文基于蒙特卡罗程序[4]对随钻密度测井仪器在6 in*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同大斜度井水平井情况下进行了研究。

1 密度仪器特性研究

基于蒙特卡罗方法对CSCD2432补偿密度随钻测井仪进行建模。图1中,红色为仪器骨架(不锈钢P550),橙色为泥浆通道,黄色为探测器NaI晶体。仪器由137Cs伽马源、短源距和长源距探测器、仪器骨架以及屏蔽材料等组成。使用F8卡分别记录近、远探测器的脉冲幅度和计数率,根据仪器选取0.04～0.661 MeV能区的光子计数,每次抽样1×109个光子,使得每次模拟结果的统计误差小于1%。

利用蒙特卡罗方法模拟水驱地层过程[5]。地层为孔隙度为40%的完全饱含气的石灰岩地层,沿地层方向每2.5 cm依次用水驱替后含水饱和度为100%;对得到的相对计数率进行归一化处理。由此得到纵向积分几何因子随不同地层厚度的变化(见图2)。若纵向积分几何因子达到90%的地层厚度视为纵向探测深度。图2中,近、远探测器的探测深度为7.6 cm和13 cm左右。

为更清楚了解该仪器的特性,使用Fmesh卡研究了仪器在工作状态时伽马的空间分布。

图1 补偿密度随钻测井仪器建模

图2 近、远探测器积分几何因子

图3中,z轴为仪器的轴向,x和y轴为仪器的径向。仪器在扶正器处半径为7.3 cm,仪器轴处在x、y分别为0 cm位置。图3(a)中仪器背部和源仓对伽马射线的屏蔽较好,伽马相对计数率小于1×10-7;短、长源距探测器由于开窗导致探测器部分伽马射线分布较多。图3(b)和图3(c)中,随着源距的增加同一区域的伽马空间计数率不断减小,短、长源距探测器相对计数率相差2个数量级。

图3 伽马在地层和仪器中的空间分布图

2 钻遇地层界面

图4 随钻密度测井仪在地层交界面的示意图

当仪器进入2个不同密度地层时,仪器与地层的相对夹角为α,仪器在工作过程中的工具方位角为β(见图4)。图5为仪器钻过地层交界面时近、远探测器的相对计数率转换为地层密度值(ρs,ρl)的变化,近探测器比远探测器对相对倾角α更为敏感。这是由于近探测器的探测深度要小于远探测器。当α在50°～90°时,近探测器的密度值会出现很大程度的跳变,失真现象较为严重,而远探测器并未出现这种情况。图6为仪器处于地层交界面中心[见图4(b)]旋转过程中(不同工具方位角)近、远探测器相对计数率转换为地层密度值(ρs,ρl)的变化。

图5 探测器密度值

图6 近、远探测器相对计数率转换为地层密度值的变化

3 偏心误差分析

当仪器处于大斜度井或水平井中时会出现钻铤直接接触井壁的情况。图7中,泥浆填充为淡水,θ为旋转角度,l为当θ为180°时泥浆间隙的最大值。考察仪器在旋转钻进过程中2个单源距视密度值随θ的变化(见图8)。

图7 大斜度井水平井中仪器偏心示意图

图8 旋转钻进过程中旋转角度对单源距视密度值的影响

通过模拟无间隙情况下9口标准井得到单源距相对计数率和地层视密度的关系

ρSS=-2.02754 lnNSS)-18.6778

(1)

ρLS=-0.50483 lnNLS)-4.6554

(2)

图9为仪器居中时单源距视密度差随泥浆间隙变化的校正图版,泥浆间隙在0～30 mm时随着泥浆间隙的增加,ρLS-ρSS与Δρ正向相关;当泥浆间隙大于30 mm时,其呈现反向相关,因此,很难将这2种情况同时考虑。若要实现这2种情况的同时考虑则必须通过井径信息进行划分区域。对第1种情况进行二次函数拟合得到(见图9)

图9 仪器居中时拟合的校正函数

Δρ=1.3003-(ρLS-ρSS)2-0.1129(ρLS-ρSS)-0.00197

(3)

图10 仪器居中时补偿密度的绝对误差

通过式(3)得到仪器在井眼居中时补偿密度的绝对误差(见图10),可以看到当仪器在居中情况下,泥浆间隙在0～30 mm范围内,其绝对误差小于0.054 g/cm3(相对误差小于2%)。在大斜度井水平井偏心的补偿密度的绝对误差见图11。图11是当井壁距仪器的最大间隙值l分别为1、2、3 cm时,即井径不同情况下仪器在大斜度井水平井偏心时补偿密度的绝对误差。可以看到补偿后的绝对误差较大,绝对误差随着旋转角度θ和l的增加而增大。井壁距仪器最大间隙值l=1 cm时,其绝对误差不大于0.035 g/cm3;当l>1 cm后,绝对误差越来越大,仪器在井眼中偏心时测量的当视密度误差要远大于仪器居中情况的误差。表11中NLS、NSS分别为短、长源距探测器的相对计数率;ρLS、ρSS为单源距的视密度;ρapp为补偿校正后的视密度;E为绝对误差。

图11 仪器在大斜度井水平井偏心时补偿密度的绝对误差

表1 仪器偏心(l=2 cm)旋转角度θ对补偿密度测井误差分析计算参数

4 结 论

(1) 采用积分因子法得到短、长源距的探测深度大致为源距的一半,通过使用Fmesh卡,记录补偿密度随钻测井仪器在工作状态的伽马空间分布,整个仪器的屏蔽效果较好,尤其是仪器背面和源仓。

(2) 仪器在大斜度井水平井中偏心时,泥浆为淡水,密度值远小于地层密度。当井眼尺寸不断增大时,旋转角度增大到一定程度以上会出现密度值增大的反常现象,而仪器在井眼中居中时,并没有此现象,这是由于地层几何结构的不同所导致的。

(3)在仪器居中情况下,泥浆间隙在0～15 mm范围内,绝对误差小于0.025 g/cm3;在0～30 mm范围内,绝对误差小于0.054 g/cm3。而当仪器处于紧贴井壁偏心时,误差较大。泥浆间隙小于10 mm时绝对误差小于0.035 g/cm3基本满足测量精度要求。该密度仪器主要用于6 in井眼,泥浆间隙在0～6.4 mm之间。因此,补偿密度校正可以保证仪器的测量误差在允许范围内。若要保证仪器在井眼形变、垮塌处测量精度,有必要用超声井径对密度仪器进行分区补偿。

参考文献:

[1] OlivierDesport. Standoff correction for LWD Density Measurement: US, 702/11, US7809508 B2 [P]. 2010-10-05.

[2] 朱由页, 孙建孟, 杨锦舟. 随钻密度测井间隙对探测器晶体影响的蒙特卡罗模拟 [J]. 测井技术, 2011, 35(4): 319-323.

[3] Radtke R J, Evans M, Rasmus J C, et al. LWD Density Response to Bed Laminations in Horizontal and Vertical Wells [C]∥The SPWLA 47th Annual Logging Symposium, Veracruz, Mexico, June 4-7, 2006.

[4] Briesmeister J F. MCNP-a General Monte Carlo N-particle Transport Code, Version 4C [R]. Report LA-13709-M. New Nexico: Los Alamos National Laboratory, 2000

[5] Lyle W D, Wilhams. Deconvolution of Well Log Data-An Innovations Approach [J]. The Log Analyst, 1987, 28(3): 321-327.